专利名称：用来电子换向电动机的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电子换向电动机的技术，更具体地说，涉及用于家用电器中的电动机。
在常规直流旋转电动机中，换向基本上是一种机械切换操作，以控制通过电枢绕组部分的电流。这种操作在常规电动机中用电刷和分段换向器实现。在这样的结构中，电刷磨损并且需要频繁更换。火花和其附带产生的RF噪声也不可避免地存在。
这些缺点常常妨碍直流电动机在关键用途中的使用，即使在其他方面偏爱这样的电动机的使用也是如此。提供无刷直流电动机的早期尝试大都限于直流到交流变换，且基本上是交流感应电动机操作；使用转子速度来切换控制，但这样的控制不是在所有转子位置都有效；或使用带有较大数量切换装置的电路，结果是用于这样的装置的电路既复杂又昂贵。
任何电动机都有依据运动或负载的固有的反馈。由先有技术得知，这些特性可以使用，以便使用PC板或集成电子仪器建立间接传感器或观测器。已知的先有技术主要依靠电压的直接或间接测量，该电压是在定子绕组中由转子和其电磁场的相对运动感应出的。
这些技术需要复杂的测量设备以测量感应电压的过零点。对于有足够精度的过零点测量还需要准确和稳定的零基准电压。
因此本发明的根本课题是提供一种用来电子换向电动机的改进方法和设备。
本发明的问题基本上通过采用载于独立权利要求书的特征解决。最佳实施例在从属权利要求中陈述。
本发明适用于定子绕组的桥形或星形连接。由于制造公差，特别是低价电动机的公差不是完全对称的，从而星点电位可能稍微偏离零电位。本发明特别便利的方面在于，星点电位的这样一种偏移不影响过零点的测量精度，因而不影响换向过程的精度。
由于仅测量电压差而不测量感应电压本身，所以不需要准确的零基准电位。电压差的过零点测量甚至能不用基准电位来测量。这具有这样的优点三根导线足以连接电动机，因为不需要第四根导线测量和发送星点电位。这在密封的设备中特别有利，其中穿过壳体的每个导线连接都是昂贵的，就象例如用于致冷机电动机的情况一样。
而且不必通过利用精确电阻器建立人造星点电位。因此实施本发明所选择特征的电动机易于适用于空间要求最小的用途。例如，这样的电动机易于适用于由交流发电机或电池源的输出驱动旅游车或汽车空调系统的压缩机。其他的用途是洗衣机电动机、汽车动力转向电动机和风扇。
在这样的设备中，电子换向电动机和压缩机都可以密封在一个气密的外壳中。在密封的设备中，碳污染产物是有害的，并且在这样的设备中使用无刷电动机提供明显优于机械换向的优点。由于装置被气密地密封，所以电动机的可靠性必定非常高。
例如在致冷机中，电动机的所有零件必须是这样的，以致于致冷剂不会损坏电动机，而且致冷剂也不会由于电动机元件或由其制造所述元件的材料而损坏。因而，提供的本发明的另一个重要优点是，由于简化的制造和坚固与可靠的操作实现了成本节省。
由联系附图的如下详细描述，将易于明白本发明的其他方面和其附属优点，其中在全部视图和实施例中同样的标号用来描述同样的零件
图1表示一种电子可换向永久磁铁电动机的简化等效电路图；图2表明一种理想电动机的电气特性；图3是根据本发明用于脉冲宽度调制(PWM)的电力开关的电路图；图4是图3电力开关的控制的计时图；图5是本发明一个最佳实施例的方块图；图6是本发明另一个最佳实施例的方块图；及图7是流程图，表示本发明方法的一个最佳实施例。
参照图1，这里表明一种电子可换向、永久磁铁电动机的等效电路图。在定子绕组中由转子运动感应的电压用电压源UIA、UIB和UIC表示。这些电压源具有在公共点处连接的一端，该公共点的电位是电动机星形配置的零电位U0，或者换句话说是星点电位U0。
电阻器RA、RB和RC分别表示定子绕组每一个电阻。电阻器RA连接到电压源UIA上，RB连接到UIB上，及RC连接到UIC上。点A、B和C指示电动机对于电源的外部连接。在供电终端A与B之间施加电压UAB，在B与C之间施加电压UBC，及在C与A之间施加UCA。
在理想的电动机中，电阻器RA、RB和RC的值是相同的，而电压源UIA、UIB和UIC仅相差这样远，以致他们在相位上彼此相对偏移120度。然而在实际中，由于电动机结构和/或制造公差不会完全对称。结果，在实际中星点电位U0可能稍微偏离理想零电位。
图2表示电动机一转，或者换句话说在相位角0与2π之间而的电气特性。
曲线1、2和3分别表明在绕组A、B和C中的磁通A、B和C。曲线4、5和6表明感应电压UIA、UIB和UIC相对于时间的变化。曲线7、8和9表明施加在电动机供电终端的电压UAB、UBC和UCA。所有这些上述曲线彼此相对偏移120度。
曲线10、11和12分别表明在绕组A、B和C中的电流IA、IB和IC。由于换向，绕组A、B和C中只有两个能在给定时间点传导电流。例如，在从0至1/3π的时间间隔期间，绕组A的电流为正，绕组B的电流为0，及绕组C的电流为负。这意味着电流IA流经绕组A，然后经绕组C返回，而绕组B由换向器从电源切断。
在相位角1/3π处发生一个换向事件。这由图2中的箭头13表示。通过换向，切断绕组A，而接通绕组B，从而流经绕组C的电流保持相同，但现在是来自终端B而不是终端A。在图2所示的例子中，在每个1/3π的相位增量之后，一种类似的情形出现。
图2的曲线1至12是电动机实际电气特性的良好近似。在实际中，与图2所示的曲线相比，电气特性曲线有些模糊，但为了简单起见，示出理想化的曲线。
如果脉冲宽度调制或类似的技术用来把电动机连接到直流电压源上，则斩波电流IA、IB和IC。通过斩波电流，在定子绕组中感应出附加电压。如果忽略较小欧姆电阻RA、RB和RC，则在终端A与B之间的电压差UAB能按如下表示UAB(t)＝UIA(t)-UIB(t)+LAdIA/dt+LBdIB/dt (1)其中LA和LB分别是绕组A和B的电感。电压差UBC和UCA能类似地表示。
积分电压UAB产生公式2，U*AB(t)=1/Δ∫t0t0+ΔUAB(t)dt=UiA(t)-UiB(t)---(2)]]>其中Δ是一定的时间段，而t0是观察开始时间。电压差UAB的积分产生电压表达式U*AB，电压表达式U*AB是在长度Δ的时间窗口期间积分之后，或者换句话说在UAB的低通滤波之后的电压差UAB。如果时间段Δ明显大于脉冲宽度调制或斩波的周期，并且同时明显比换向周期短，那么对于估计公式(2)，能忽略在公式(1)表达中由脉冲宽度调制或由斩波造成的感应电压的表示，因为他们平均约为0。
结果，终端A与B之间的低通滤波电压差，是在定子绕组中由转子旋转感应的感应电压UIA与UIB的差的良好近似。同样，低通滤波电压差UBC和UCA分别是感应电压UIB与UIC、和UIC与UIA的差良好近似。所以，低通滤波电压差指示由转子运动造成的感应电压，并因此指示转子位置。因此换向必须发生的时间点能从低通滤波电压差导出。每当低通滤波电压差穿过零时，一个换向事件就必须发生。这参照图3和4更详细地解释。
图3表示用于脉冲宽度调制的电力开关。电力开关30包括6个晶体管A-顶、A-底、B-顶、B-底、C-顶和C-底。在这里考虑的例子中，这些晶体管都是IGBT型的。晶体管的每一个的源极和漏极由一个二极管31连接。晶体管A-顶和A-底的源极和漏极在点32处连接。相同的情形类似地用于晶体管B-顶和B-底及C-顶和C底，这些分别连接在点33和34处。在终端35和36处，直流电压UDc加到电力开关30上。电动机37的相位A、B和C分别连接到电力开关30的点32、33和34上。
通过以适当顺序接通和断开电力开关30的晶体管，一个驱动转子的旋转磁场产生在电动机37中。切换操作的计时通过滤波电压差的过零点确定。经分别连接到点32、33和34上的线路38、39和40检测电压差UAB、UBC和UCA。
图4通过曲线40、41和42分别表示相电流IA、IB、IC。曲线40、41和42对应于图2中的曲线10、11和12。在图4的底部，沿时间轴t表示电力开关30的晶体管的相应切换顺序。例如，在切换顺序中的A-顶意味着在图4的切换顺序所指示的时间间隔期间，接通电力开关30的晶体管A-顶，该时间间隔等效于120度，或换句话说2/3π的相位角。
同样，在图4中所示的切换顺序中的A-底意味着在图4中所指示的时间期间，接通晶体管A-底。同样的情形类似地用于电力开关30的其他晶体管。
如果使用脉冲宽度调制或另一种斩波技术，则电力开关30的晶体管当它们根据切换顺序是有效的时，以相当高的频率接通和断开。例如，在切换顺序中的时间段A-顶期间，电力开关30的晶体管A-顶以脉冲宽度调制频率接通和断开。同样的情形类似地用于电力开关的其他晶体管。
图5表示电动机37的控制的方块图。图3和5中同样的元件具有同样的标号。在图5中所示的实施例中，电力开关30是图3中所示类型的三相转换器。
经连接到低通滤波器50的线路38、39和40分别检测电压差UAB、UBC和UCA。低通滤波器50积分电压差，以滤出由电力开关30的脉冲宽度调制切换造成的高频分量。
生成的低通滤波的电压差U*AB、U*BC和U*CA由低通滤波器50输出，并且经线路51、52和53传送到位置识别电路54。在位置识别电路54中，确定当滤波的电压差成为零时的时间点，或换句话说确定滤波的电压差的过零点。过零点指示电动机37的转子相对于定子的位置。每当滤波的电压差成为零时，经线路55向控制电路56发信号。控制电路56控制电力开关30的切换操作。
控制电路56已经在其中存储了图4中所示的切换顺序。每当控制电路56经线路55接收到一个信号时，它就按这个切换顺序前进一步。这还表示在下面的表中。
该表是图4中所示切换顺序的另一种表示。切换顺序具有表中最左列中所示的六个步骤0至5。当晶体管断开时，这在表中用“0”指示，而当晶体管有效时，这在表中用“PWM”指示。
初始时，在步骤0，控制电路56对于输入的直流电压UDC的脉冲宽度调制，选择晶体管A-顶和B-底。电力开关30的其他晶体管被断开。当控制电路56经线路55从位置识别电路54接收到指示滤波电压差的过零点的信号时，控制电路前进到步骤1。在步骤1，对于脉冲宽度调制选择晶体管A-顶和C-底。
同样就经线路55接收的下一个信号而论，控制电路前进到步骤2等等。当到达步骤5时，由于经线路55接收的下一个信号，控制返回步骤0。为了简单起见，在控制电路56与电力开关30之间的信号线路没有在图5中表示。
电力开关30以及低通滤波器50、位置识别电路54和控制电路56都连接到相同的地电位57。这是可能的，因为只需要检测电压差UAB、UBC和UCA，并且只有滤波电压差的过零点必须确定，而不必确定感应电压UIA、UIB和UIC本身的过零点。因此地电位57独立于电位U0，并且不会影响要求的测量。
同理，另一个优点在于，位置识别电路54不需要通过电流隔离来同电力开关30隔开。因此所有控制电路能共享相同的地电位57。还有可能使用不同的地线和地电位，因为如以前陈述的那样这不影响电压差。
这种方案与先有技术相比，节省了到电动机37的多根导线、同电源电压值UDC的绝缘及电流传感器。而且，由于采用本发明的测量和控制方法的牢靠性，测量电流可以较大。
图6表示本发明的另一个最佳实施例。图6中所示的设备和图5的设备的相同元件用相同的标号指示。
把一个交流电压UAC施加到一个AC-DC转换器60上，以产生直流电压UDC。把直流电压UDC连接到电力开关30上，就象在图5实施例中的情况那样。而且与图5相比，电动机37、低通滤波器50和位置识别电路54的分别相互连接保持相同。
电位器61经线路62连接到控制电路56的一个输入端上。电位器61用来设置电动机37的速度。通过调节电位器61限定的速度输入值由模数(A-D)转换器63从模拟值转换成数字值。速度输入值的数字化值经线路64输送到比较器65。比较器65还从逻辑电路66接收代表电动机37的实际电动机速度的信号。
逻辑电路66的输入联接到线路55上，以便接收从位置识别电路54发出的信号。逻辑电路测量由位置识别电路54发出的、指示滤波电压差过零点的两个连续信号之间的时间段。根据由位置识别电路54发出的两个连续信号之间的时间段，逻辑电路66计算电动机37的实际电动机速度。
另外，逻辑电路66能涉及由位置识别电路54发出的较大数量的连续信号，以在相应的时间窗口内计算实际电动机37速度的平均值。
在这里考虑的例子中，比较器65从由逻辑电路66确定的实际电动机速度值中减去数字化的速度输入值。比较器发出一个代表速度输入值与实际电动机速度值之差的误差信号。误差信号经线路67从比较器65经线路67输送到比例-积分(PI)控制器或滤波器68。另一方面，滤波器68还可以是比例-积分-微分控制器或滤波器(PID)，或者是具有类似滤波器特性的任何其他类型的滤波器。
滤波误差信号由PI滤波器68经线路69输出到逻辑电路70。逻辑电路70用来确定用于电力开关30的脉冲宽度调制的占空因数。占空因数对应于向电动机37供电100％的占空因数是指对于整个脉冲宽度调制周期接通电流，而较小的占空因数是指只对于相当低百分比的总脉冲宽度调制周期才接通电流。如果由逻辑电路70经线路69接收的滤波误差信号指示电动机速度要增大，则占空因数相应地由逻辑电路70增大。类似地，如果滤波误差信号指示电动机37的电动机速度要减小，则占空因数相应地由逻辑电路70减小。
占空因数的值从逻辑电路70经线路71传送到脉冲宽度调制(PWM)逻辑电路72。PWM逻辑电路72具有经线路73连接到电力开关30上的六个输出端。PWM逻辑电路72的输出端的每一个连接到图3中所示电力开关30的晶体管之一上。在PWM逻辑电路72中，根据由逻辑电路70所确定的要求占空因数，还根据从位置识别电路54经线路55输入到PWM逻辑电路72的信号，产生信号以控制电力开关30的晶体管的栅极。
PWM逻辑电路72根据图4中和以上表中所示的切换顺序，控制电力开关30的晶体管的切换。
除滤波误差信号之外，还能够考虑电动机37的总输入电流，以确定逻辑电路70中的占空因数。总电流I总流经AC-DC转换器60与电力开关30之间的电阻器73。在电阻器73两端的电压降用来测量在检测总电流的测量单元74中的电流I总。
测量单元74发送一个经线路75传送到模数(A-D)转换器76的模拟信号。A-D转换器76的输出联接到逻辑电路70上。如此编程逻辑电路70，以致于占空因数的确定可选择也考虑由AD转换器76发送的信号。如果选择了这种方案，则把由AD转换器76发送的信号与从PI滤波器68发送的滤波误差信号相结合，和例如在逻辑电路70中叠加。
进行这种叠加的方法取决于电动机37的电动机特性，以及采用的滤波器的特性，特别是PI滤波器68的特性。此外，如果生成值指示电动机速度要增大，则逻辑电路70选择较高的占空因数。与此相反，如果AD转换器76和PI滤波器68的信号叠加的生成值，指示电动机37的电动机速度应该减小，则逻辑电路70选择较低的占空因数。在任何情况下，如果滤波误差信号变化，或者换句话说，如果速度输入值与由逻辑电路66所确定的实际电动机速度值不同，则占空因数只由逻辑电路70改变。
根据图7，更详细地解释根据本发明的操作电动机37的方法。在步骤70，检测相位差电压UAB、UBC和UCA，就象例如参照图5解释的那样。检测的电压差在步骤71低通滤波，以便消除在电动机，例如电动机37的绕组中由电流斩波造成的高频分量。这产生低通滤波电压差。
在步骤72，确定滤波电压差的过零点，以检测当这些电压为零时的时间点。这用来限定换向事件。施加相电压的换向在步骤73中例如通过切换电力开关30的适当晶体管进行。换向事件基本上能发生在检测到过零点的同时，或者由于限制或采用的技术而在一定的时间延迟之后发生。
尽管已经联系其不同的实施例描述了本发明，但对于熟悉本专业的技术人员，通过阅读以上描述，诸变更将是显而易见的。应该清楚地理解，进行的这种描述仅是示范性，而不是用于限制的目的。
权利要求
1.一种操作电动机的方法，该电动机带有一组用来产生一个旋转磁场的绕组、和一个适于响应所述磁场而旋转的转子，所述方法包括步骤检测和低通滤波所述绕组之间的电压差；检测所述滤波电压差成为零的时间点；根据所述检测的时间点，换向从电源施加到所述绕组上的电压；及对于所述检测时间点的步骤和所述换向电压的步骤使用一个地电位。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤根据至少两个所述时间点之间的时间段计算所述转子的速度。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括步骤把所述转子的所述计算速度值与一个速度输入值相比较，并且由此导出一个误差信号；及按照所述误差信号，改变施加到所述绕组上的所述电压的脉冲宽度调制的占空因数。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括步骤检测所述电动机的总输入电流；及如果出现误差信号，则根据所述总输入电流改变所述脉冲宽度调制的所述占空因数。
5.一种周来电子换向电动机的设备，所述电动机带有一组用来产生一个旋转磁场的绕组、和一个适于响应所述磁场而旋转的转子，所述设备包括用来检测和低通滤波所述绕组之间的电压差的装置；用来检测所述滤波电压差成为零的时间点的装置；用来根据所述检测的时间点，换向从电源施加到所述绕组上的电压的装置；及其中用来检测时间点的所述装置和用来换向电压的所述装置都连接到一个地电位上。
6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括用来对施加到所述绕组上的所述电压进行脉冲宽度调制的装置，所述脉冲宽度调制的周期与换向周期相比较短。
7.根据权利要求5所述的设备，进一步包括用来由至少两个所述时间点之间的时间段来计算所述转子速度的装置。
8.根据权利要求7所述的设备，进一步包括用来把所述转子的所述计算速度值与一个速度输入值相比较，并且由此导出一个误差信号的装置；用来按照所述误差信号，改变施加到所述绕组上的所述电压的脉冲宽度调制占空因数的装置。
9.根据权利要求8所述的设备，进一步包括用来检测所述电动机的总输入电流的装置；及如果出现所述误差信号，则用来改变所述脉冲宽度调制的所述占空因数的所述装置适于根据所述总输入电流来改变所述占空因数。
10.根据权利要求5所述的设备，对于用来检测时间点的所述装置和用来换向电压的所述装置，所述地电位相同。
11.一种电动机，带有一组用来产生一个旋转磁场的绕组、和一个适于响应所述磁场而旋转的转子，所述电动机进一步包括用来电子换向电动机的装置，该装置包括用来检测和低通滤波所述绕组之间的电压差的装置；用来检测所述滤波电压差成为零的时间点的装置；用来根据所述检测的时间点，换向从电源施加到所述绕组上的电压的装置；及其中用来检测时间点的所述装置和用来换向电压的所述装置都被连接到一个地电位上。
12.一种包括电动机的电气设备，该电动机带有一组用来产生一个旋转磁场的绕组、和一个适于响应所述磁场而旋转的转子，所述电动机进一步包括用来电子换向电动机的装置，该装置包括用来检测和低通滤波所述绕组之间的电压差的装置；用来检测所述滤波电压差成为零的时间点的装置；用来根据所述检测的时间点，换向从电源施加到所述绕组上的电压的装置；及其中用来检测时间点的所述装置和用来换向电压的所述装置都被连接到一个地电位上。
全文摘要
在一种用来操作一种电动机,特别是永久磁铁电动机的方法中,电子换向施加到电动机的定子绕组上的电压。换向事件的计时是通过检测和低通滤波各绕组之间的电压差、及检测滤波电压差的过零点来确定的。在发生过零点时或在此后的一小段时间内,换向事件发生。
文档编号H02P6/18GK1234145SQ97198609
公开日1999年11月3日 申请日期1997年11月5日 优先权日1996年11月12日
发明者里奥斯·查卢帕, 米罗斯拉夫·帕托卡 申请人:摩托罗拉公司威尔明顿日内尔分公司